RU2104620C1

RU2104620C1 - Microwave oven

Info

Publication number: RU2104620C1
Application number: RU95122307A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Федорович Головенков
Original assignee: Вячеслав Федорович Головенков
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 1998-02-10

Abstract

FIELD: microwave ovens for heating dielectric materials including foodstuff. SUBSTANCE: microwave field is produced in material placed in oven chamber by means of comb-type radial slow-wave structure; microwave energy is introduced from structure periphery and while spreading to center it is absorbed by material being heated. Placed in center of structure is three-dimensional microwave-energy absorber of axisymmetrical shape, such as truncated cone, protruding above its surface. Absorber symmetry axis is perpendicular to structure surface. Microwave absorber makes it possible to use structure of lower slow-down property and, hence, of lower speed of field decay above its surface while retaining desired load of microwave-energy source in case of changes in volume and absorbing properties of material being heated. EFFECT: improved efficiency and uniformity of heating through material thickness. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к СВЧ-печам для нагрева диэлектрических материалов, в том числе и пищевых продуктов, за счет поглощаемой материалами и продуктами СВЧ-энергии. Более конкретно, изобретение относится к СВЧ-печам в камерах нагрева которых рабочее СВЧ-поле в разогреваемом материале создается с помощью гребенчатых замедляющих структур радиального типа. The invention relates to microwave ovens for heating dielectric materials, including food, due to absorbed materials and microwave energy products. More specifically, the invention relates to microwave ovens in heating chambers of which a working microwave field in the material to be heated is created using comb radial deceleration structures.

Известно несколько конструкций СВЧ-печей с камерами нагрева такого типа [1-3] . Радиальная гребенчатая замедляющая структура в камерах нагрева этих печей выполнена в виде металлического диска с концентрически расположенными на нем круговыми металлическими выступами. Радиальная структура по своему внешнему диаметру соединена с соосным с ней металлическим цилиндром с крышкой (обычно куполообразной формы). Поверхность выступов замедляющей структуры и цилиндр с крышкой образуют рабочий замкнутый объем с высотой и площадью, достаточной для установки нагреваемых изделий на тонком плоском диэлектрическом поддоне, размещенном на выступах замедляющей структуры. Доступ в рабочий объем камеры нагрева для установки изделий осуществляется путем подъема металлического цилиндра с крышкой над поверхностью замедляющей структуры или через специальные отверстия в цилиндре [1]. СВЧ-печь содержит также СВЧ-генератор, устройство передачи СВЧ-энергии и ввода ее в замедляющую структуру и устройство для вывода и поглощения части СВЧ-энергии, не использованной для нагрева изделий. Several designs of microwave ovens with heating chambers of this type are known [1-3]. The radial ridge retarding structure in the heating chambers of these furnaces is made in the form of a metal disk with circular metal protrusions concentrically located on it. The radial structure in its outer diameter is connected to a metal cylinder coaxial with it with a cap (usually dome-shaped). The surface of the protrusions of the retardation structure and the cylinder with the cover form a closed working volume with a height and area sufficient to install the heated products on a thin flat dielectric tray placed on the protrusions of the retardation structure. Access to the working volume of the heating chamber for installation of products is carried out by lifting a metal cylinder with a cover above the surface of the retarding structure or through special holes in the cylinder [1]. The microwave oven also contains a microwave generator, a device for transmitting microwave energy and inputting it into the retardation structure, and a device for outputting and absorbing a portion of the microwave energy not used to heat the articles.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является СВЧ-печь, описанная в [3]. В камере нагрева этой СВЧ-печи радиальная гребенчатая замедляющая структура возбуждается через коаксиал, диаметр внутреннего проводника которого равен внешнему диаметру радиальной замедляющей структуры (внешнему диаметру первого выступа), а внутренняя поверхность внешнего проводника через прикрепленное к нему соосно плоское металлическое кольцо емкостным образом связана со следующим выступом, вводя таким образом энергию в замедляющую структуру. Введение энергии в радиальную замедляющую структуру по всей ее периферии обеспечивает азимутальную равномерность поля в камере и, кроме того, радиальную равномерность, так как, несмотря на потери мощности на нагрев, при распространении энергии к центру одновременно происходит концентрация ее потока. Выведение не использованной для нагрева мощности и поглощение ее в балластной нагрузке осуществляется из центра замедляющей структуры; роль емкостного элемента связи в данном случае выполняет внутренний проводник коаксиальной линии с прикрепленным к нему диском. Балластная нагрузка поглощающего СВЧ-энергию материала соединена с элементом связи и находится за пределами рабочего объема камеры нагрева. Closest to the proposed invention is a microwave oven described in [3]. In the heating chamber of this microwave oven, a radial ridge retardation structure is excited through a coaxial whose inner conductor diameter is equal to the outer diameter of the radial deceleration structure (the outer diameter of the first protrusion), and the inner surface of the outer conductor is connected in a capacitive manner through the coaxially flat metal ring attached to the following protrusion, thus introducing energy into the retarding structure. The introduction of energy into the radial slow-down structure along its entire periphery ensures azimuthal uniformity of the field in the chamber and, in addition, radial uniformity, since, despite the loss of power for heating, the concentration of its flow occurs at the same time as the energy propagates to the center. The output of the power not used for heating and its absorption in the ballast load is carried out from the center of the slowing structure; In this case, the role of the capacitive coupling element is played by the internal conductor of the coaxial line with the disk attached to it. The ballast load of the microwave energy absorbing material is connected to the coupling element and is outside the working volume of the heating chamber.

Предложенная в [3] и описанная здесь конструкция СВЧ-печи обладает следующими недостатками. Для разогрева объемных изделий необходимо, чтобы поток энергии над замедляющей структурой занимал слой, достаточный для поглощения всей мощности генератора в изделии на толщине скин-слоя материала этого изделия и обеспечения таким образом объемного прогрева. Для пищевых продуктов толщина скин-слоя лежит в пределах 10-30 мм. Однако при необходимом для объемного прогрева отрыве поля от поверхности гребенчатой замедляющей структуры (конструктивно отрыв легко достигается путем подбора высоты гребня) ввод и вывод энергии описанной выше конструкции будут иметь высокий КСВ, что приведет к нарушению нормальной работы магнетронного генератора, обычно используемого в таких печах. Со стороны ввода энергии трудность может быть преодолена за счет использования плавного перехода либо в самой замедляющей структуре, либо за ее пределами (как это сделано в [2]). Вывести же энергию без значительных отражений из центра замедляющей структуры выводом энергии предложенной конструкции, даже при сильно прижатом к поверхности системы поле, удается лишь при равномерной загрузке камеры поглощающим материалом. В случае малого замедления и отрыва поля от поверхности, достаточного для нормальной работы СВЧ-печи, согласовать такой вывод энергии не удается, так как замедляющая структура в этом случае работает как антенна поверхностной волны и поле при движении энергии к центру практически отрывается от замедляющей системы. Поэтому не использованная для нагрева энергия, которая возрастает по мере готовности продукта или при неполной загрузке камеры нагрева, будет отражаться от стенок камеры и попадать на вход генератора, что может привести к срыву генерации и даже выходу магнетрона из строя. Еще один недостаток СВЧ-печи [3], обусловленный применением вывода энергии, описанного в [2,3], связан с тем, что при неравномерной загрузке камеры (например, при разогреве нескольких порционных блюд, к тому же различных размеров) помимо того, что возрастают отражения от вывода энергии, может возникнуть связь поля замедляющей структуры с собственными резонансными колебаниями резонатора, образованного замкнутым объемом камеры сгорания. Эти колебания имеют сложную структуру поля, высокую интенсивность из-за отсутствия связи с выводом энергии, и могут вызывать локальный перегрев разогреваемых продуктов. The microwave oven design proposed in [3] and described here has the following disadvantages. For heating bulk products, it is necessary that the energy flow over the retarding structure occupies a layer sufficient to absorb the entire power of the generator in the product on the skin layer thickness of the material of this product and thereby ensure volumetric heating. For food products, the thickness of the skin layer is in the range of 10-30 mm. However, if the separation of the field from the surface of the comb deceleration structure necessary for volumetric heating is necessary (structural separation is easily achieved by selecting the height of the ridge), the input and output of the energy of the design described above will have a high SWR, which will lead to disruption of the normal operation of the magnetron generator commonly used in such furnaces. From the side of energy input, the difficulty can be overcome by using a smooth transition either in the slowing structure itself or outside it (as was done in [2]). The energy can be removed without significant reflections from the center of the slowing-down structure by the energy output of the proposed design, even when the field is strongly pressed to the surface of the system, it is possible only with uniform loading of the chamber with absorbing material. In the case of a small deceleration and separation of the field from the surface, sufficient for normal operation of the microwave oven, it is not possible to agree on such an energy output, since the decelerating structure in this case acts as an antenna of the surface wave and when the energy moves toward the center, the field is practically detached from the decelerating system. Therefore, the energy not used for heating, which increases as the product is ready or when the heating chamber is not fully loaded, will be reflected from the walls of the chamber and fall on the generator input, which can lead to disruption of generation and even failure of the magnetron. Another drawback of the microwave oven [3], due to the use of the energy output described in [2,3], is related to the fact that with uneven loading of the chamber (for example, when heating several portioned dishes, besides various sizes), in addition As reflections from the energy output increase, a coupling of the field of the slowing structure can occur with the natural resonance vibrations of the resonator formed by the closed volume of the combustion chamber. These oscillations have a complex field structure, high intensity due to the lack of connection with energy output, and can cause local overheating of heated products.

Целью изобретения является повышение равномерности нагрева объемных материалов в СВЧ-печах с камерой нагрева, выполненной на основе радиальной гребенчатой замедляющей структуры, без нарушения режима работы магнетронного генератора, возбуждающего замедляющую структуру на ее периферии. The aim of the invention is to increase the uniformity of heating bulk materials in microwave ovens with a heating chamber made on the basis of a radial ridge retarding structure, without violating the mode of operation of the magnetron generator, exciting the retarding structure at its periphery.

Для достижения этой цели в известную конструкцию прототипа [3] вводится следующий новый конструктивный признак, составляющий сущность изобретения. Вместо вывода энергии с подключенной к нему за пределами камеры нагрева балластной нагрузкой внутрь камеры нагрева вводится объемный поглотитель СВЧ-энергии, имеющий осесимметричную форму, например форму усеченного конуса, цилиндра или их соосной комбинации. Поглотитель одним из своих торцов закреплен концентрично в центре замедляющей структуры и поднимается перпендикулярно своей осью над поверхностью структуры на высоту h, определяемую степенью отрыва поля в центре замедляющей структуры. To achieve this goal, the following new design feature constituting the essence of the invention is introduced into the well-known prototype design [3]. Instead of outputting energy with a ballast load connected outside the heating chamber, a volumetric microwave energy absorber having an axisymmetric shape, for example, the shape of a truncated cone, cylinder, or their coaxial combination, is introduced into the heating chamber. The absorber is fixed concentrically in one of its ends in the center of the slowing structure and rises perpendicularly with its axis above the surface of the structure to a height h, determined by the degree of separation of the field in the center of the slowing structure.

Осуществление изобретения дает следующие технические результаты:
при подборе необходимого для максимальной равномерности нагрева отрыва поля от поверхности замедляющей структуры исключается попадание на вход генератора мощности, не поглощенной разогреваемым материалом. Соответствующий выбор высоты объемного поглотителя h, его конфигурации и свойств поглощающего материала обеспечит рассеивание не использованной для нагрева мощности объемным поглотителем в центре замедляющей структуры;
наличие поглотителя внутри объема камеры нагрева приведет к резкому падению добротности ряда собственных колебаний резонатора, которым является камера нагрева, и, следовательно, к резкому снижению связи этих колебаний с рабочим в случае искажения его поля при неравномерной загрузке камеры. В результате частично или полностью будут устранены локальные перегревы материала за счет полей собственных колебаний камеры нагрева со сложными структурами полей.The implementation of the invention gives the following technical results:
when selecting the necessary separation for the maximum uniformity of heating of the field separation from the surface of the slowing structure, the input of a power generator not absorbed by the heated material is excluded. An appropriate choice of the height of the volume absorber h, its configuration and the properties of the absorbing material will ensure the dissipation of the volume absorber not used for heating by the volume absorber in the center of the slowing structure;
the presence of an absorber inside the volume of the heating chamber will lead to a sharp decrease in the quality factor of a number of natural oscillations of the resonator, which is the heating chamber, and, consequently, to a sharp decrease in the connection of these vibrations with the working one in case of distortion of its field with uneven loading of the chamber. As a result, local overheating of the material due to the natural vibration fields of the heating chamber with complex field structures will be partially or completely eliminated.

Таким образом, эффективность изобретения реализуется при условии, что объемный поглотитель на оси камеры нагрева обеспечивает поглощение мощности, вводимой в замедляющую структуру. Конструктивные требования к объемному поглотителю оценочно можно сформулировать, рассматривая предельный режим работы СВЧ-печи, когда в ней отсутствует разогреваемый материал. Так как нежелательна эксплуатация магнетронов при КСВ на входе больше 2 (10% отраженной мощности), очевидно, что в рассматриваемом предельном случае объемный поглотитель должен поглощать не менее 90% мощности, вводимой в замедляющую структуру. Предполагая, что СВЧ-энергия, падающая на поверхность поглотителя, поглощается без отражения, получаем, что отраженная мощность на входе магнетрона определяется потоком энергии над поглотителем. При известной диаграмме направленности антенны поверхностной волны, образованной радиальной гребенчатой структурой, можно определить высоту в области поглотителя, выше которой поток излучения мощности составляет 10%, и принять эту высоту за минимальную высоту поглотителя h, при которой обеспечивается работоспособность печи. Thus, the effectiveness of the invention is realized provided that the volume absorber on the axis of the heating chamber provides absorption of power introduced into the retardation structure. The structural requirements for a volumetric absorber can be estimated formally by considering the maximum operating mode of a microwave oven when there is no heated material in it. Since the operation of magnetrons with SWR at the input of more than 2 (10% of the reflected power) is undesirable, it is obvious that in the considered limiting case the volume absorber should absorb at least 90% of the power introduced into the retardation structure. Assuming that the microwave energy incident on the surface of the absorber is absorbed without reflection, we find that the reflected power at the magnetron input is determined by the energy flow above the absorber. With the known radiation pattern of the surface wave antenna formed by the radial comb structure, one can determine the height in the region of the absorber above which the radiation flux of power is 10% and take this height as the minimum height of the absorber h, at which the furnace is operational.

Будем считать, что направление распространения энергии в конце замедляющей структуры (в области поглотителя) совпадает с направлением распространения в дальней зоне излучения, т.е. описывается формулой для диаграммы направленности антенны поверхностной волны, которая имеет вид [4]

,
где
γ - коэффициент замедления замедляющей структуры;
θ - направление излучения по отношению к поверхности замедляющей структуры;

, где λ - длина волны;
L - длина излучающей части замедляющей структуры.We assume that the direction of energy propagation at the end of the moderator (in the absorber region) coincides with the direction of propagation in the far radiation zone, i.e. is described by the formula for the antenna pattern of a surface wave, which has the form [4]

,
Where
γ is the deceleration coefficient of the retarding structure;
θ is the direction of radiation with respect to the surface of the moderating structure;

where λ is the wavelength;
L is the length of the radiating part of the slowing structure.

Расчеты по (1) диаграмм направленности для реальных величин замедления и длин замедляющей структуры показали, что с учетом оценочного характера проводимого анализа за направление, выше которого излучаются 10% потока мощности, можно принять направление, соответствующее уровню половинной мощности диаграммы направленности. Обозначив это направление θ_0,5 и учитывая, что длина излучающей части замедляющей структуры равна

, где D - внешний (периферийный) диаметр замедляющей системы, d - внешний диаметр поглотителя СВЧ-энергии на поверхности замедляющей структуры, получим следующее уравнение для расчета величины θ_0,5

.Calculations according to (1) radiation patterns for real values of deceleration and lengths of the slowing structure showed that, taking into account the estimated nature of the analysis, the direction corresponding to the level of half the power of the radiation pattern can be taken as the direction above which 10% of the power flux is emitted. Denoting this direction by θ _0.5 and taking into account that the length of the radiating part of the slowing down structure is

where D is the external (peripheral) diameter of the slowing system, d is the external diameter of the microwave energy absorber on the surface of the slowing structure, we obtain the following equation for calculating θ _0.5

.

На фиг.1 показана схема для расчета минимальной высоты поглотителя h; на фиг. 2 - пример конструкции СВЧ печи, выполненной в соответствии с изобретением. Figure 1 shows a diagram for calculating the minimum height of the absorber h; in FIG. 2 is an example of the design of a microwave oven made in accordance with the invention.

На фиг.1 схематично изображена радиальная часть замедляющей структуры 1 с поглотителем на оси 2, который в данном случае имеет форму цилиндра. Заштрихованная область 3 - основной лепесток диаграммы направленности точечного излучения 4, расположенного в центре между периферийным краем замедляющей структуры и поглотителем и эквивалентного антенне поверхностей волны, образованной радиальной излучающей частью замедляющей структуры. На диаграмме направленности выделено направление под углом θ_0,5 к поверхности замедляющей структуры, соответствующее уровню половинной (от максимума) мощности излучения. Высота поглотителя h, обеспечивающая перехват 90% излучаемого потока мощности, очевидно, будет равна

.Figure 1 schematically shows the radial part of the retarding structure 1 with an absorber on the axis 2, which in this case has the shape of a cylinder. The shaded area 3 is the main lobe of the radiation pattern of the point radiation 4, located in the center between the peripheral edge of the slowing structure and the absorber and equivalent to the antenna of the surfaces of the wave formed by the radial radiating part of the slowing structure. The direction pattern at an angle θ _0.5 to the surface of the slowing structure corresponding to the level of half (from the maximum) radiation power is highlighted in the radiation pattern. The absorber height h, providing interception of 90% of the radiated power flux, will obviously be equal to

.

В экспериментальном образце печи излучающая часть замедляющей структуры имела длину 245 мм при замедлении γ = 1,15. Для рабочей частоты 2450 МГц из уравнений (2), (3) можно получить, что θ_0,5 = 33^o и соответственно h = 79,6 мм. Интересно сравнить полученную величину h с высотой, на которой поле над поверхностью замедляющей структуры, убывает в e раз. Эта высота при γ = 1,15 равна 34,5 мм.In the experimental sample of the furnace, the radiating part of the moderating structure had a length of 245 mm with a deceleration of γ = 1.15. For the operating frequency of 2450 MHz from equations (2), (3), it can be obtained that θ _0.5 = 33 ^o and, accordingly, h = 79.6 mm. It is interesting to compare the obtained value of h with the height at which the field above the surface of the slowing structure decreases e times. This height at γ = 1.15 is 34.5 mm.

На фиг. 2 показана СВЧ печь, которая содержит камеру нагрева, образованную поверхностью выступов замедляющей структуры 1 и закрывающей ее куполообразной крышкой 2. На поверхности структуры 1 размещена тонкая плоская диэлектрическая подставка 3 для установки нагреваемых изделий. Объемный поглотитель 4 выполнен в данном случае в виде стеклянной колбы, которая своей нижней цилиндрической частью герметично закреплена по центру замедляющей структуры и наполнена водой. Колба с водой 4, соосная с осью симметрии замедляющей структуры, поднимается перпендикулярно над ее поверхностью на высоту h. Верхняя часть колбы открыта. Возбуждение камеры нагрева осуществляется от магнетронного генератора 5 через системы линий передачи, подводящих мощность от магнетрона к периферии замедляющей структуры. Подводящая система включает в себя коаксиально-волноводный переход 6, радиальную линию 7, коаксиальную линию 8 с емкостным возбудителем замедляющей структуры 9. Для улучшения согласования замедляющей системы с магнетронным генератором высота последних нескольких ребер на периферии системы плавно нарастает по направлению к возбудителю 9. In FIG. 2 shows a microwave oven, which comprises a heating chamber formed by the surface of the protrusions of the retardation structure 1 and a dome-shaped lid 2 closing it. A thin flat dielectric stand 3 is placed on the surface of the structure 1 for installing heated products. The volumetric absorber 4 is made in this case in the form of a glass flask, which with its lower cylindrical part is hermetically fixed in the center of the slowing structure and filled with water. A flask of water 4, coaxial with the axis of symmetry of the retarding structure, rises perpendicularly above its surface to a height h. The top of the flask is open. The heating chamber is excited from the magnetron generator 5 through a system of transmission lines supplying power from the magnetron to the periphery of the slowing structure. The lead-in system includes a coaxial-waveguide transition 6, a radial line 7, a coaxial line 8 with a capacitive exciter of the retardation structure 9. To improve the matching of the retardation system with a magnetron generator, the height of the last few ribs on the periphery of the system gradually increases towards the exciter 9.

Предложенная СВЧ-печь работает следующим образом. Мощность СВЧ от магнетронного генератора 5 через коаксиально-волноводный переход 6, радиальную 7 и коаксиальную 8 линии подводится к возбудителю замедляющей системы 9. Энергия СВЧ распространяется от периферии замедляющей системы к ее центру в виде поверхностной волны. При этом распределение поля в направлении, перпендикулярном поверхности замедляющей структуры, обеспечивает максимальное поглощение мощности в толщине скин-слоя материала, расположенного на диэлектрической подставке 3. Не поглощенная материалами часть СВЧ энергии поглощается в центральной части замедляющей системы водяной нагрузкой 4. Для замедления испарения воды из нагрузки она может охлаждаться потоком воздуха от специальной помпы, которая одновременно будет осуществлять продув камеры нагрева для удаления влаги. Подача воздуха может осуществляться через канал во внутреннем проводнике коаксиально-волноводного перехода и отверстия в центре замедляющей системы, а вывод - через отверстия в куполообразной крышке. The proposed microwave oven operates as follows. The microwave power from the magnetron generator 5 through the coaxial waveguide transition 6, radial 7 and coaxial 8 lines is supplied to the pathogen of the slowing system 9. The microwave energy propagates from the periphery of the slowing system to its center in the form of a surface wave. In this case, the field distribution in the direction perpendicular to the surface of the retardation structure ensures maximum power absorption in the thickness of the skin layer of the material located on the dielectric support 3. Part of the microwave energy not absorbed by the materials is absorbed in the central part of the retardation system by a water load 4. To slow the evaporation of water from load it can be cooled by a stream of air from a special pump, which will simultaneously purge the heating chamber to remove moisture. Air can be supplied through the channel in the inner conductor of the coaxial-waveguide transition and the holes in the center of the slowdown system, and the output through the holes in the domed cover.

Источники информации
1. Патент США N 3478187, кл. 219-10.55, 1970.Sources of information
1. US patent N 3478187, CL. 219-10.55, 1970.

2. А.с. СССР N 786072, кл. H 05 B 9/06, 1978. 2. A.S. USSR N 786072, class H 05 B 9/06, 1978.

2. А.с. СССР N 1107351, кл. H 05 B 6/64, 1982 (прототип). 2. A.S. USSR N 1107351, class H 05 B 6/64, 1982 (prototype).

4. Антенны и устройства СВЧ/ Под ред. Д.И.Воскресенского.- М.: Сов. радио, 1972. 4. Antennas and microwave devices / Ed. D.I.Voskresensky.- M.: Sov. Radio, 1972.

Claims

1. Microwave oven containing a heating chamber in which a radial ridge retardation structure is installed, a device for introducing microwave energy into the retardation structure from the side of its peripheral part, characterized in that a microwave absorber protruding above the surface of the structure is placed at the center of the radial deceleration structure axisymmetric energy, and the axis of symmetry coincides with the axis of the slowing structure.

2. The microwave oven according to claim 1, characterized in that the height of the volume absorber above the surface of the retardation structure

where D is the external, peripheral, diameter of the retarding structure;
d is the outer diameter of the microwave energy absorber on the surface of the moderator;
Q ₀ _, _{5 is the} first positive root of the equation

γ is the deceleration coefficient of the retarding structure;
λ is the wavelength.